monografia tiristores

UNIVERSIDAD NACIONAL DE MORENO

Ingeniería Electrónica

Monografía Tiristores, Dispositivos Electrónicos, Ing. Electrónica

Indice

Introducción..........................................................................................................................3

Un poco de historia...............................................................................................................4

Dispositivos semiconductores de potencia........................................................................4

El Tiristor............................................................................................................................... 7

Estructura y Simbologia.....................................................................................................8

Funcionamiento del Tiristor en “bloqueo” o “polarización inversa”.................................9

Modelo de SCR de dos transistores:................................................................................10

Funcionamiento del Tiristor en “conducción” o “polarización directa”...........................11

Principio de Encendido por Compuerta (Gate)................................................................12

Activación del SCR...........................................................................................................14

Acción de la Compuerta (Gate)........................................................................................15

Curva característica del SCR.............................................................................................16

Definición de los símbolos...............................................................................................17

Tipos de Tiristores........................................................................................................... 20

Algunas aplicaciones típicas.............................................................................................28

Hojas de Datos....................................................................................................................31

Bibliografia..........................................................................................................................47

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El Tiristor o SCR (Rectificador Controlado de Silicio)

Introducción

Durante muchos años ha existido la necesidad de controlar la potencia eléctrica de los sistemas de tracción y de los controles industriales impulsados por motores eléctricos; esto ha llevado a un temprano desarrollo del sistema Ward-Leonard con el objeto de obtener un voltaje de corriente directa variable para el control de los motores e impulsores. La electrónica de potencia ha revolucionado la idea del control para la conversión de potencia y para el control de los motores eléctricos.

La electrónica de potencia combina la energía, la electrónica y el control. El control se encarga del régimen permanente y de las características dinámicas de los sistemas de lazo cerrado. La energía tiene que ver con el equipo de potencia estática y rotativa o giratoria, para la generación, transmisión y distribución de energía eléctrica. La electrónica se ocupa de los dispositivos y circuitos de estado sólido requerido e el procesamiento de señales para cumplir con los objetivos de control deseados. La electrónica de potenciase puede definir como la aplicación de la electrónica de estado sólido para el control y la conversión de energía eléctrica.

La electrónica de potencia se basa, en primer termino, en la conmutación de dispositivos semiconductores de potencia. Con el desarrollo de la tecnología de los semiconductores de potencia, las capacidades del manejo de la energía y la velocidad de conmutación de los dispositivos de potencia han mejorado tremendamente. El desarrollo de la tecnología de los microprocesadores - microcomputadoras tiene un gran impacto sobre el control y la síntesis de la estrategia de control para los dispositivos semiconductores de potencia.

El equipo de electrónica de potencia moderno utiliza (1) semiconductores de potencia, que puede compararse con el músculo, y (2) microelectrónica, que tiene el poder de la inteligencia del cerebro.

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Un poco de historia

La historia de la electrónica de potencia empezó e el año 1900, con la introducción del rectificador de arco de mercurio. Luego aparecieron gradualmente, el rectificador de tanque metálico, el rectificador de tubo al alto vacio de rejilla controlada, el fanotron y el tiratron. Estos dispositivos se aplicaron al control de la energía hasta la década de 1950.

La primera revolución electrónica inicia en1948 con la invención del transistor de silicio en los Bell Telephone Laboratories por los señores Bardeen, Brattain y Shockley. La mayor parte de las tecnologías electrónicas avanzadas actuales tienen su origen en esta invención. A través de los años la microelectrónica moderna ha evolucionado a partir de los semiconductores de silicio. El siguiente gran parte aguas, en 1956, también provino de los Bell Telephone Laboratories: la invención del transistor de disparo PNPN, que se definió como un tiristor o rectificador controlado de silicio (SCR) por sus siglas en ingles.

La segunda revolución electrónica empezó en 1958 con el desarrollo del tiristor comercial por General Electric Company. Ese fue el principio de una nueva era en la electrónica de potencia. Desde entonces, se han introducidos muy diversos tipos de dispositivos semiconductores de potencia y técnicas de conversión. La revolución de microelectrónica nos dio la capacidad de procesar una gran cantidad de información a una velocidad increíble. La revolución de la electrónica de potencia nos esta dando la capacidad de dar forma y controlar grandes cantidades de energía con una eficiencia cada vez mayor.

Debido a la fusión de la electrónica de potencia que es el músculo, con la microelectrónica, que es el cerebro, se han descubierto muchas aplicaciones potenciales de la electrónica de potencia, y se descubrirán más. Dentro de los siguientes 30 años, la electrónica de potencia formara y condicionara la electricidad, en alguna parte de la línea de transmisión, entre el punto de generación y todos los usuarios.

La revolución de la electrónica de potencia ha ganado inercia, desde el fin de los años 80 y principios de los 90.

Dispositivos semiconductores de potencia Desde que se desarrolló el primer tiristor de rectificador controlado de silicio (SCR), a fines de 1957, ha habido grandes adelantos en los dispositivos semiconductores de potencia. Hasta 1970, los tiristores convencionales se habían utilizado en forma exclusiva para el control de la energía en aplicaciones industriales. A partir de 1970, se desarrollaron varios

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tipos de dispositivos semiconductores de potencia que quedaron disponibles en forma comercial. Éstos se pueden dividir en cinco tipos principales: (1) diodos de potencia, (2) tiristores, (3) transistores bipolares de juntura de potencia (BJT), (4) MOSFET de potencia, y (5) transistores bipolares de compuerta aislada (IGBT) y transistores de inducción estáticos (SIT). Los tiristores se pueden subdividir en ocho tipos: (a) tiristor de conmutación forzada, (b) tiristor conmutado por línea, (e) tiristor desactivado por compuerta (GTO), (d) tiristor de conducción inversa (RCT), (e) tiristor de inducción estático (SITH), (o tiristor desactivado con asistencia de compuerta (GATT), (g) rectificador controlado de silicio foto activado (LASCR), y (h) tiristores controlados por MOS(MCT).

Los transistores de inducción estáticos también están disponibles en forma comercial.

Los diodos de potencia son de tres tipos: de uso general, de alta velocidad (o de recuperación rápida) y Schottky. Los diodos de uso general están disponibles hasta 3000 V, 3500 A, y la especificación de los diodos de recuperación rápida puede llegar hasta 3000 V, 1000 A. El tiempo de recuperación inversa varía entre 0.1 y 5µs. Los diodos de recuperación rápida son esenciales para la interrupción de los convertidores de potencia a altas frecuencias. Un diodo tiene dos terminales: un cátodo y un ánodo. Los diodos Schottky tienen un voltaje bajo de estado activo y un tiempo de recuperación muy pequeño, típicamente en nanosegundos. La corriente de fuga aumenta con el voltaje y sus especificaciones se limitan a 100 V, 300 A. Un diodo conduce cuando el voltaje de su ánodo es más alto que el de su cátodo; siendo la caída de voltaje directa de un diodo de potencia muy baja, típicamente 0.5 y 1.2 V. Si el voltaje de cátodo es más alto que el voltaje de ánodo, se dice que el diodo está en modo de bloqueo.

Existen varias configuraciones de diodos de uso general, mismos que se agrupan básicamente en dos tipos. Uno se conoce como de perno o montado en perno y el otro como de disco empacado a presión o de disco de hockey. En el de perno, tanto el ánodo como el cátodo podrían ser el perno.

Un tiristor tiene tres terminales: un ánodo, un cátodo, y una compuerta. Cuando una pequeña corriente pasa a través de la terminal de la compuerta hacia el cátodo, el tiristor conduce, siempre y cuando la terminal del ánodo esté a un potencial más alto que el cátodo. Una vez que el tiristor está en un modo de conducción, el circuito de la compuerta no tiene ningún control y el tiristor continuara conduciendo. Cuando un tiristor está en un modo de conducción, la caída de potencial en directa es muy pequeña, típicamente 0.5 a 2 V.

Un tiristor que conduce se puede desactivar haciendo que el potencial del ánodo sea igual o menor que el potencias de cátodo. Los tiristores conmutados en línea se desactivan en razón de la naturaleza senoidal del voltaje de entrada, y los tiristores conmutados en

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forma forzada se desactivan mediante un circuito adicional conocido como circuitería de conmutación. Existen varias configuraciones de tiristores de control de fase (o de conmutación de línea): tipo perno, tipo disco de hockey, tipo plano, y tipo de aguja.

Los tiristores naturales o conmutados en línea están disponibles con especificaciones de hasta 6000V, 3500 A. El tiempo de desactivación de los tiristores de bloqueo inverso de alta velocidad ha mejorado en forma sustancial y es posible obtener de 10 a 20 µs con un tiristor de 1200-V, 2000-A. El tiempo de desactivación se define como el intervalo de tiempo entre el instante en que la corriente principal se reduce a cero después de la interrupción externa del circuito de voltaje principal, y el instante en que el tiristor es capaz de aceptar un voltaje principal especificado, sin activarse. Los RCT y los GATT se utilizan en gran medida para la interrupción de alta velocidad, en especial en aplicaciones de tracción. Un RCT se puede considerar como un tiristor que incluye un diodo inverso en paralelo. Los RCT están disponibles hasta 2500 V, 1000 (y 400 A de conducción inversa) con un tiempo de interrupción de 40 µs. Los GATT están disponibles hasta 1200 V, 400 A con una velocidad de interrupción de 8 µs. Los LASCR, que se fabrican hasta 6000V, 1500 A, con una velocidad de interrupción de 200 a 400 µs, son adecuados para sistemas de energía de alto voltaje, especialmente en HVDC. Para aplicaciones de corriente, alterna de baja potencia los TRIAC, se utilizan ampliamente en todo tipo de controles sencillos de calor, de iluminación, de motor, así como interruptores de corriente alterna. Las características de los TRIAC son similares a dos tiristores conectados en inverso paralelo con una sola terminal de compuerta. El flujo de corriente a través de un TRIAC se puede controlar en cualquier dirección. Los GTO y los SITH son tiristores auto desactivados. Los GTO y los SITH se activan mediante la aplicación de un pulso breve positivo a las compuertas, y se desactivan mediante la aplicación de un pulso corto negativo a las mismas. No requieren de ningún circuito de conmutación. Los GTO resultan muy atractivos para la conmutación forzada de convertidores y están disponibles hasta 4000 V,

3000A.

Los SITH, cuyas especificaciones pueden llegar tan alto como 1200 V, 300A, se espera que puedan ser aplicados a convertidores de mediana potencia con una frecuencia de varios cientos de Khz. y más allá del rango de frecuencia de los GTO. Existen varias configuraciones de GTO. Los transistores bipolares de alta potencia son comunes en los convertidores de energía a frecuencias menores que 10 Khz. y su aplicación es eficaz en las especificaciones de potencia de hasta 1200 V, 400 A. Un transistor bipolar tiene tres terminales: base, emisor y colector. Por lo general, se opera en forma de interruptor en la configuración de emisor común. Mientras que la base de un transistor NPN esté a un potencial más alto que el emisor, y la corriente de base sea lo suficientemente grande como para excitar al transistor en la región de saturación, el transistor se conservará

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activado, siempre que la unión del colecto ral emisor esté correctamente polarizada. La caída directa de un transistor en conducción está en el rango de 0.5 a 1.5 V. Si el voltaje de excitación de la base es retirado, el transistor se conserva en modo de no conducción (es decir desactivado).

Los MOSFET de potencia se utilizan en convertidores de potencia de alta velocidad y están disponibles en una especificación de relativamente poca potencia en rango de 1000 V, 50 A, en un rango de frecuencia de varias decenas de Khz. Los IGBT son transistores de potencia controlados por voltaje. Por naturaleza, son más rápidos que los BJT, pero aún no tan rápidos como los MOSFET. Sin embargo, ofrecen características de excitación y de salida muy superiores a las de los BJT. Los IGBT son adecuados para altos voltajes, altas corrientes y frecuencias de hasta20 Khz. Los IGBT están disponibles hasta 1200 V, 400 A.

El Tiristor

En la industria hay numerosas operaciones, las cuales requieren se entregue una cantidad de potencia eléctrica variable y controlada. La iluminación, el control de velocidad de un motor, la soldadura eléctrica y el calentamiento eléctrico, son las cuatro operaciones más comunes. Siempre es posible controlarla cantidad de potencia eléctrica que se entrega a una carga si se utiliza un transformador variable para proporcionar un voltaje de salida variables. Sin embargo, para grandes potencias, los transformadores variables son físicamente grandes y costosos y necesitan un mantenimiento frecuente, estos tres factores hacen que los transformadores variables sean poco utilizados.

Otro método para controlar la potencia eléctrica que se entrega a una carga, es intercalar un reóstato en serie con la carga, para así controlar y limitar la corriente. Nuevamente para grandes potencias, los reóstatos resultan de gran tamaño, costosos, necesitan mantenimiento además, desperdician una cantidad apreciable de energía. Los reóstatos no son la alternativa deseable frente a los transformadores variables en el control de potencia industrial.

Desde 1960 está disponible un dispositivo electrónico, el cuál no adolece de las fallas antes mencionadas. El SCR es pequeño y relativamente barato, no necesita mantenimiento y su consumo de potencia es muy pequeño. Algunos SCR modernos pueden controlar corrientes del orden de cientos de amperios en circuitos que operan a voltajes tan elevados como 1000 volts. Por estas razones, los SCR son muy importantes en el campo del control industrial moderno.

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Dentro de la familia de dispositivos pnpn, el rectificador controlado de silicio (SCR) es, sin duda, el de mayor interés hoy en día, y fue presentado por primera vez en 1956 por los Bell Telephone Laboratories. Algunas de las áreas más comunes de aplicación de los SCR son controles de relevador, circuitos de retardo de tiempo, fuentes de alimentación reguladas, interruptores estáticos, controles de motores, recortadores, inversores, ciclo-conversores, cargadores de baterías, circuitos de protección, controles de calefacción y controles de fase.

En años recientes han sido diseñados SCR para controlar potencias tan altas de hasta 10 MW y con valores individuales tan altos como de 2000 A a 1800 V. Su rango de frecuencia de aplicación también ha sido extendido a cerca de 50 kHz, lo que ha permitido algunas aplicaciones de alta frecuencia.

Estructura y SimbologiaEl tiristor es un nombre genérico de una serie de dispositivos semiconductores de potencia. Uno de ellos llamado SCR (rectificador controlado de silicio) es un semiconductor sólido de silicio formado por cuatro capas P y N alternativamente, dispuestas como se ve en la Figura 1, donde también se representa su símbolo.

El dispositivo cumple varias misiones que podemos clasificar un poco arbitrariamente como sigue:

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Figura 1 – Símbolo y circuito equivalente del SCR Figura 2 – Sección longitudinal del SCR


Rectificación: consiste en usar la propiedad de funcionamiento unidireccional del dispositivo, el cual realiza entonces la misma función de un diodo.

Interrupción de corriente: usado como interruptor, el tiristor puede reemplazar a los contactores mecánicos.

Regulación: la posibilidad de ajustar el momento preciso del encendido permite emplear el tiristor para gobernar la potencia o la corriente media de salida.

Amplificación: puesto que la corriente de mando puede ser muy débil en comparación con la corriente principal, se produce un fenómeno de amplificación en corriente o en potencia. En ciertas aplicaciones esta "ganancia" puede ser de utilidad.

Funcionamiento del Tiristor en “bloqueo” o “polarización inversa”Para simplificar el siguiente análisis admitiremos que el cátodo del tiristor está siempre a tierra y que la puerta no está conectada ("flotando").

En estas condiciones, se puede comparar el tiristor a tres diodos conectados en oposición.

En efecto, las capas P2N2 y P1N2 forman diodos que aseguran el aguante en tensión del dispositivo. De esta forma:

Si el ánodo es positivo, el elemento está polarizado directamente, pero el diodo P1N2 bloquea la tensión aplicada.

Si, por el contrario, el ánodo es negativo, los diodos P2N2 y P1N1 tienen polarización inversa. Por ser débil la tensión de avalancha de P1N1, su papel es despreciable y es P2N2 el que ha de limitar la corriente inversa de fuga.

La tensión máxima viene limitada, prácticamente, por la tensión de avalancha de los diodos P2N2 y P1N2 en serie.

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Modelo de SCR de dos transistores:La acción regenerativa o de enganche debido a la retroalimentación directa se puede demostrar mediante un modelo de un SCR de dos transistores. Un SCR se puede considerar como dos transistores complementarios, un transistor PNP, T1, y un transistor NPN, T2 :

Funcionamiento del Tiristor en “conducción” o “polarización directa”Se comprenderá mejor el funcionamiento del tiristor si nos referimos al montaje con dos transistores, PNP y NPN, de la Figura 5, que resulta equivalente. Estos dos transistores están conectados de forma que se obtenga una realimentación positiva.

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Figura 3 - Las tres uniones del tiristor pueden representarse mediante tres diodos equivalentes

Figura 4 – El SCR polarizado en Inversa

Figura 5 – A) SCR simplificado. B) SCR como dos Transistores. C) Circuito Equivalente


Supongamos que sea positiva la región P2 con relación a la N1. Las uniones J3 y J1 emiten portadores positivos y negativos respectivamente hacia las regiones N2 y P1. Estos portadores, tras su difusión en las bases de los transistores, llegan a la unión J2, donde la carga espacial crea un intenso campo eléctrico.

Siendo 0.3 la ganancia de corriente que da la fracción de la corriente de huecos inyectada en el emisor y que llega al colector del PNP, y siendo por otro lado a la ganancia de corriente que da lafracción de la corriente de electrones inyectada en el emisor que llega al colector del NPN, podemos escribir:

IK=I A

I c2=α2 . I A y I c1=α1 . I K

La corriente total de ánodo IA es evidentemente la suma de lc1 e lc2, a la que hay que sumar la corriente de fuga residual que pasa por la unión central J2 y a la que llamaremos Icx. Se tiene entonces:

I A=α2 . I A+α1 I A+ ICX

Lo que nos queda:

I A=ICX

1−(α 1+α2)

Ahora bien, en muchos transistores de silicio la ganancia α es baja para valores reducidos de corriente, aumentando cuando crece la corriente. Luego, si Icx es reducida, el denominador de la fracción anterior se acerca a 1 (para corrientes débiles) y la corriente IA es apenas mayor que la corriente de fuga.

Aunque polarizada directamente, la estructura PNPN permanece pues bloqueada presentando una elevada impedancia. Cuando aumenta, por cualquier motivo, la corriente de fuga lcx, aumentan la corriente y la ganancia. La suma α 1+α2 tiende entonces a 1 y la corriente IA tiende a infinito. En realidad, esta corriente toma un valor muy alto, limitado sólo porel circuito externo.

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El tiristor está entonces en estado conductor (también se dice que está desbloqueado o disparado).

Hagamos observar que este tipo de encendido por aumento de la corriente de fuga esto es, en general, por aumento de la tensión aplicada entre ánodo y cátodo del elemento es desaconsejable en la mayoría de los casos.

Principio de Encendido por Compuerta (Gate)El encendido por puerta es el método más usual de disparo de tiristores. El razonamiento siguiente aparecerá mucho más claro si nos referimos a la Figura 7.

Una vez polarizado directamente el tiristor se inyecta un impulso positivo de mando en su puerta (este ataque es en corriente, denominándose lG a esta última). El transistor NPN designado T1 recibe una corriente de base lG, pasando a ser su corriente de colector de IG . β1 , donde β1 es la ganancia de corriente de este transistor (montaje en emisor común).

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Figura 6 – El SCR en polarización Directa


Esta corriente se inyecta a su vez en la base del transistor T2 (PNP) que entrega entonces una corriente de IG . β1 . β2 (siendo β2 la ganancia de corriente de T2). Esta corriente, que aparece en el colector de T2, vuelve a aplicarse a la base de T1.

Hay que considerar entonces dos casos:

1. El producto β1. β2 es inferior a 1, en cuyo caso el elemento no se enciende

2. El producto β1. β2 tiende a la unidad, con lo que se realiza el proceso de amplificación y el elemento pasa al estado de conducción.

Estas dos condiciones (β1. β2 < 1 y β1. β2 = 1) caracterizan el estado del tiristor en función de la corriente. En efecto, la ganancia β de un transistor de silicio crece normalmente, por lo general, en función de la corriente (Figura 8). Así pues:

Si la corriente de puerta es débil, el producto β1. β2 es inferior a la unidad y no se enciende el dispositivo

Si el impulso de mando es suficiente, las corrientes de emisor son lo bastante elevadas para que el producto β1. β2 tienda a 1.

En cuanto se produce el encendido, la realimentación hace que los dos transistores conduzcan a saturación (por cuanto la corriente de colector de uno se inyecta sistemáticamente en la base del otro). Una vez en conducción, los transistores se mantienen ya en ese estado, incluso aunque desaparezca el impulso inicial de puerta, hasta que el circuito exterior deje de mantener la corriente IA.

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Activación del SCRComo ya hemos visto, el tiristor puede adoptar uno de estos estados:

De bloqueo, cuando está polarizado en sentido inverso;

De bloqueo o de conducción, cuando la polarización es directa, según que esté encendido o no.

En este último caso, para hacerlo pasar del estado de bloqueo al de conducción se recurre, como se ha dicho ya, a la propiedad esencial del transistor de silicio: la de poseer una ganancia de corriente que crece con la corriente de emisor, le.

Por tanto, se pueden usar todos los medios capaces de provocar un aumento de la corriente IE. Los más importantes son:

LA TENSIÓN: Cuando aumenta la tensión ánodo-cátodo del tiristor, llega un momento en que la corriente de fuga es suficiente para producir un brusco aumento de la corriente IE. Esta forma de disparo se usa sobre todo con los diodos de 4 capas (diodos- tiristores).

LA DERIVADA DE LA TENSIÓN: Ya se sabe que una unión PN presenta una cierta capacidad. Así, pues, si se hace crecer bruscamente la tensión ánodo-cátodo, esta capacidad se carga con una corriente: Y, si esta corriente I es suficientemente elevada, provocará el encendido del tiristor.

LA TEMPERATURA: La corriente inversa de fuga de un transistor de silicio aumenta al doble, aproximadamente, cada 14° C (al aumentar la temperatura).

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Figura 7 – Modelo SCR con transistores Figura 8 – Curva Beta en función de la IE


Cuando la corriente alcanza un valor suficiente, se produce el disparo del tiristor por los mismos fenómenos ya vistos.

EL EFECTO TRANSISTOR: Es la forma clásica de gobernar un tiristor. En la base del transistor equivalente se inyectan portadores suplementarios que provocan el fenómeno de disparo (la base es la puerta del tiristor).

EL EFECTO FOTOELÉCTRICO: La luz, otra de las formas de energía, puede también provocar el encendido del tiristor al crear pares electrón-hueco. En este caso se emplea un fototiristor, que es un tiristor con una "ventana" (esto es una lente transparente que deja pasar los rayos luminosos) en la región de puerta.

Acción de la Compuerta (Gate)Si se aplica una señal de mando a la puerta del tiristor se modifica la tensión de encendido de éste, tal como muestra las curvas de la Figura 9.

Cuando es nula la corriente lG de puerta, el tiristor no se ceba hasta que se alcanza la tensión de disparo entre ánodo y cátodo del elemento. A medida que aumenta la corriente de puerta lG, disminuye el valor de la tensión de disparo del tiristor. En el límite, el tiristor se comporta como un diodo, esto es, para una corriente de puerta suficientemente elevada, la menor tensión de ánodo provoca la conducción en el tiristor.

Para prevenir los posibles encendidos esporádicos del tiristor se puede conectar un resistor en paralelo con la unión puerta-cátodo (siguiente figura). Esto es especialmente interesante cuando la ganancia β del transistor NPN (del par equivalente) es elevada. (Por lo general suele ser más elevada que la ganancia β del PNP.)

Por otra parte, casi todos los fabricantes integran ya un resistor de difusión entre la puerta y el cátodo del tiristor; esta tecnología es la que se conoce como "shorted emitter", con un cortocircuito puerta-emisor.

Al aumentar el valor de la corriente de puerta necesaria para el encendido del tiristor, este resistor en paralelo mejora las características del elemento en bloqueo, y aumenta la inmunidad ante transitorios parásitos. La resistencia depende de la temperatura y de las tolerancias de fabricación, y varía entre los valores extremos RG, (mín.) y RG (máx.).

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Curva característica del SCREn la Figura 11 se presenta la curva característica típica de un tiristor (elemento unidireccional), representándose la corriente IA en función de la diferencia de tensión ánodo-cátodo.

Cuando es nula la tensión V, lo es también la corriente IA. Al crecer la tensión V en sentido directo — se la designará como VF, siendo F la inicial de "forward" (directo, en inglés) — se alcanza un valor mínimo (Vd) que provoca el encendido; el tiristor se hace entonces conductor y cae la tensión ánodo-cátodo mientras aumenta la corriente IA. Por lo mismo que hemos dicho de la tensión, a esta corriente directa la llamaremos IF.

Si se polariza inversamente el tiristor, aplicándole una tensión VR(donde R es la inicial de "reverse", esto es, inverso en inglés) observaremos la existencia de una débil corriente inversa de fuga (esta corriente inversa recibirá el símbolo IR) hasta que se alcanza un punto de tensión inversa máxima que provoca la destrucción del elemento.

El tiristor es pues conductor sólo en el primer cuadrante. El disparo ha sido provocado en este caso por aumento de la tensión directa. La aplicación de una corriente de mando en la puerta desplaza, como veremos, hacia la derecha el punto de disparo Vd.

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Figura 9 – Curva IA en función de la IGFigura 10 – Tecnología “Shorted Emitter”


Definición de los símbolos La curva característica del tiristor puede pues dividirse en 6 regiones, de las que 4 están situadas en el primer cuadrante. A continuación definiremos los símbolos principales relativos a puntos notables de esta curva.

Debido a que la mayor parte de la bibliografía existente sobre tiristores procede de Estados Unidos, se han conservado aquí las designaciones simbólicas del inglés. Las magnitudes directas llevarán el índice F (de forward) y las inversas R (de reverse). El siguiente cuadro resume el significado de las abreviaturas usadas:

CORRIENTE DIRECTA MEDIA

Se define así el valor medio de los valores instantáneos de corriente directa ánodo-cátodo en el tiristor, para un intervalo dado de tiempo. Su símbolo es IF(AV).

CORRIENTE ACCIDENTAL DE PICO

Es el valor que puede alcanzar un pico de corriente ánodo-cátodo en forma accidental, esto es transitoriamente y no de modo recurrente. Su símbolo es IFSM y define pues el valor máximo admisible de las extracorrientes, en el curso de regímenes transitorios aleatorios. Normalmente se especifica para ½, 1, o 10 ciclos a una frecuencia dada.

CORRIENTE MÁXIMA DE PUERTA

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Figura 11 – Curva característica del SCR Figura 12 – Zonas de Trabajo del SCR


La corriente máxima de puerta se simboliza IGFS, y es el valor máximo instantáneo que puede alcanzar un pico de corriente en el electrodo de mando del tiristor. Este valor define también el valor máximo de la corriente de mando en régimen de impulsos de muy corta duración.

TENSIÓN DIRECTA DE DISPARO

La tensión directa de disparo Vd (o también VBO) es la tensión directa por encima de la cual se enciende el tiristor por disparo directo.

TENSIÓN INVERSA DE RUPTURA

La tensión inversa que produce la ruptura del elemento se designa como VRR.

TENSIÓN INVERSA REPETITIVA

La tensión inversa recurrente es VRWM. Se define así el valor máximo que puede tomar la amplitud de la tensión inversa periódica aplicada entre el ánodo y cátodo del tiristor.

TENSIÓN INVERSA REPETITIVA DE PICO

La tensión inversa recurrente de pico es VRPM y es el valor máximo que pueden alcanzar las punías recurrentes de tensión inversa. Este valor es numéricamente superior al valor máximo de tensión inversa del tiristor (valor de pico máximo).

TENSIÓN INVERSA TRANSITORIA O ACCIDENTAL

La tensión inversa transitoria o accidental es VRSM. Este valor limita la tensión inversa cátodo-ánodo a la que puede someterse el tiristor, durante un intervalo dado de tiempo.

TENSIÓN DIRECTA DE PICO EN BLOQUEO

La tensión directa de pico en estado de bloqueo es VDWM (o también VFDM). Su valor fija un límite a la tensión máxima aplicable entre ánodo y cátodo del tiristor, con puerta flotante, sin riesgo de disparo. Esta tensión es pues ligeramente inferior a la tensión de disparo en ausencia de señal de mando.

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POTENCIA TOTAL DISIPADA

La potencia total disipada en el tiristor es Pav. En ella se consideran todas las corrientes: directa, media e inversa (IFAV e IRR); de fuga, directa e "inversa (IFD e IR); de mando (IG); corriente capacitiva, etc. Su valor permite calcular el radiador, si es que el tiristor precisa de uno.

POTENCIA MEDIA DISIPABLE DE PUERTA

La potencia media disipable de puerta es PGAV. Es el valor de la potencia disipada en la unión puerta-cátodo.

POTENCIA DE PICO DE PUERTA

La potencia de pico de puerta es PGFS. Corresponde a la potencia máxima disipada en la unión puerta-cátodo, en el caso de aplicarse una señal de disparo no continua. Su valor es superior al de PGAV y su límite depende de las condiciones de encendido.

CORRIENTE DE ENGANCHE

La corriente de enganche IL es la corriente IA mínima que hace bascular el tiristor del estado de bloqueo al de conducción. Su valor es por lo general de dos o tres veces la corriente de mantenimiento, definida a continuación.

CORRIENTE DE MANTENIMIENTO

Para conservar su estado de conducción el tiristor debe suministrar una comente de ánodo, IA, mínima que recibe el nombre de corriente de mantenimiento, IH. A veces se denomina también a esta corriente, corriente hipo-estática.

TENSIÓN DE ENGANCHE

A la corriente LI , de enganche le corresponde una tensión de enganche VL.

TENSIÓN DE MANTENIMIENTO

Del mismo modo, se podría definir una tensión de mantenimiento VH que sería la tensión que, aplicada al ánodo, permitiría el paso de la corriente In de mantenimiento.

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CORRIENTE DE PUERTA

La corriente de puerta se designa GI . En una serie dada de tiristores — teniendo en cuenta la dispersión de las características — el valor máximo necesario para asegurar el encendido de cualquier elemento se designa lGT.

TENSIÓN DE ENCENDIDO

A esta corriente IGT le corresponde una tensión de encendido VGD (que en los dispositivos de uso corriente se aproxima a 1 V).

TENSIÓN MÁXIMA EN LA PUERTA SIN DISPARO

Finalmente, la tensión máxima aplicable a la puerta s n provocar el disparo se simboliza por VGD. Esta tensión se define a la temperatura máxima y es siempre muy inferior a la tensión de encendido (puede ser, por ejemplo, de 0,3 V).

Tipos de TiristoresLos tiristores se fabrican casi exclusivamente por difusión. La corriente del ánodo requiere de un tiempo finito para propagarse por toda el área de la unión, desde el punto cercano a la compuerta cuando inicia la señal de la compuerta para activar el tiristor. Para controlar el di/dt, el tiempo de activación y el tiempo de desactivación, los fabricantes utilizan varias estructuras de compuerta.

Dependiendo de la construcción física y del comportamiento de activación y desactivación, en general los tiristores pueden clasificarse en ocho categorías:

1. Tiristores de control de fase o de conmutación rápida (SCR). 2. Tiristores de desactivación por compuerta (GTO). 3. Tiristores de triodo bidireccional (TRIAC). 4. Tiristores de conducción inversa (RTC). 5. Tiristores de inducción estática (SITH). 6. Rectificadores controlados por silicio activados por luz (LASCR). 7. Tiristores controlados por FET (FET-CTH). 8. Tiristores controlados por MOS (MCT).

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TIRISTORES DE CONTROL DE FASE O DE CONMUTACIÓN RÁPIDA (SCR)

El miembro más importante de la familia de los tiristores es el tiristor de tres terminales, conocido también como el rectificador controlado de silicio o SCR. Este dispositivo lo desarrolló la General Electric en 1958 y lo denominó SCR. El nombre de tiristor lo adoptó posteriormente la Comisión Electrotécnica Internacional (CEI). En la figura siguiente se muestra el símbolo de un tiristor de tres terminales o SCR.

Tal como su nombre lo sugiere, el SCR es un rectificador controlado o diodo. Su característica voltaje-corriente, con la compuerta de entrada en circuito abierto, es la misma que la del diodo PNPN.

Lo que hace al SCR especialmente útil para el control de motores en sus aplicaciones es que el voltaje de ruptura o de encendido puede ajustarse por medio de una corriente que fluye hacia su compuerta de entrada. Cuanto mayor sea la corriente de la compuerta, tanto menor se vuelve VBO. Si se escoge un SCR de tal manera que su voltaje de ruptura, sin señal de compuerta, sea mayor que el mayor voltaje en el circuito, entonces, solamente puede activarse mediante la aplicación de una corriente a la compuerta. Una vez activado, el dispositivo permanece así hasta que su corriente caiga por debajo de IH. Además, una vez que se dispare el SCR, su corriente de compuerta puede retirarse, sin que afecte su estado activo. En este estado, la caída de voltaje directo a través del SCR es cerca de 1.2 a 1.5 veces mayor que la caída de voltaje a través de un diodo directo-oblicuo común.

Los tiristores de tres terminales o SCR son, sin lugar a dudas, los dispositivos de uso más común en los circuitos de control de potencia. Se utilizan ampliamente para cambiar o rectificar aplicaciones y actualmente se encuentran en clasificaciones que van desde unos pocos amperios hasta un máximo de 3,000 A.

Un SCR:

Se activa cuando el voltaje VD que lo alimenta excede VBO

Tiene un voltaje de ruptura VBO, cuyo nivel se controla por la cantidad de corriente iG, presente en el SCR

Se desactiva cuando la corriente iD que fluye por él cae por debajo de IH

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Detiene todo flujo de corriente en dirección inversa, hasta que se supere el voltaje máximo inverso.

Figura 13 – Simbolo del SCR

TIRISTORES DE DESACTIVACIÓN POR COMPUERTA (GTO)

Entre las mejoras más recientes que se le han hecho al tiristor está el apagado por compuerta (GTO). Un tiristor GTO es un SCR que puede apagarse por una pulsación suficientemente grande en su compuerta de entrada, aun si la corriente iD excede IH. Aunque los tiristores GTO se han venido usando desde 1960, solamente se volvieron prácticos para las aplicaciones de control de motores, al final de los años setenta. Estos dispositivos se han vuelto más y más comunes en las unidades de control de motores, puesto que ellos eliminaron la necesidad de componentes externos para apagar los SCR en circuitos de cc.

Un tiristor GTO requiere una mayor corriente de compuerta para encendido que un SCR común. Para grandes aparatos de alta potencia se necesitan corrientes de compuerta del orden de 10 A o más. Para apagarlos se necesita una gran pulsación de corriente negativa de entre 20 y 30µ s de duración. La magnitud de la pulsación de corriente negativa debe ser de un cuarto a un sexto de la corriente que pasa por el aparato.

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Figura 14 – Simbolo del GTO


TIRISTORES DE TRIODO BIDIRECCIONAL (TRIAC )

Es un dispositivo que se comporta como dos SCR conectados en contraposición, con una compuerta de paso común; puede ir en cualquier dirección desde el momento en que el voltaje de ruptura se sobrepasa. El símbolo del TRIAC se ilustra en la figura siguiente. El voltaje de ruptura en un TRIAC disminuye si se aumenta la corriente de compuerta, en la misma forma que lo hace en un SCR, con la diferencia que un TRIAC responde tanto a los impulsos positivos como a los negativos de su compuerta. Una vez encendido, un TRIAC permanece así hasta que su corriente cae por debajo de IH.

TIRISTORES DE CONDUCCIÓN INVERSA (RTC)

En muchos circuitos pulsadores e inversores, se conecta un diodo antiparalelo a través de un SCR, con la finalidad de permitir un flujo de corriente inversa debido a una carga inductiva, y para mejorar el requisito de desactivación de un circuito de conmutación. El diodo fija el voltaje de bloqueo inverso del SCR a 1 ó 2v por debajo de las condiciones de régimen permanente. Sin embargo, bajo condiciones transitorias, el voltaje inverso puede elevarse hasta 30v debido al voltaje inducido en la inductancia dispersa del circuito dentro del dispositivo.

Un RCT es un intercambio entre características del dispositivo y requisitos del circuito; puede considerarse como un tiristor con un diodo antiparalelo incorporado, tal y como se muestra en la figura siguiente. Un RCT se conoce también como tiristor asimétrico (ASCR). El voltaje de bloqueo directo varía de 400 a 2000v y la especificación de corriente llega hasta 500 A. El voltaje de bloqueo inverso es típicamente 30 a 40v. Dado que para un dispositivo determinado está preestablecida la relación entre la corriente directa a través de un tiristor y la corriente inversa del diodo, sus aplicaciones se limitarán a diseños de circuitos específicos.

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Figura 15 – Simbolo del TRIAC


TIRISTORES DE INDUCCIÓN ESTÁTICA (SITH)

Por lo general, un SITH es activado al aplicársele un voltaje positivo de compuerta, como los tiristores normales, y desactivado al aplicársele un voltaje negativo a su compuerta. Un SITH es un dispositivo de portadores minoritarios. Como consecuencia, el SITH tiene una baja resistencia en estado activo así como una baja caída de potencial, y se puede fabricar con especificaciones de voltaje y corriente más altas.

Un SITH tiene velocidades de conmutación muy rápidas y capacidades altas de dv/dt y di/dt. El tiempo de conmutación es del orden de 1 a 6m s. La especificación de voltaje puede alcanzar hasta 2500v y la de corriente está limitada a 500 A. Este dispositivo es extremadamente sensible a su proceso de fabricación, por lo que pequeñas variaciones en el proceso de manufactura pueden producir cambios de importancia en sus características.

RECTIFICADORES CONTROLADOS DE SILICIO ACTIVADOS POR LUZ (LASCR)

Este dispositivo se activa mediante radiación directa sobre el disco de silicio provocada con luz. Los pares electrón-hueco que se crean debido a la radiación producen la corriente de disparo bajo la influencia de un campo eléctrico. La estructura de compuerta se diseña a fin de proporcionar la suficiente sensibilidad para el disparo, a partir de fuentes luminosas prácticas (por ejemplo, LED y para cumplir con altas capacidades de di/dt y dv/dt).

Los LASRC se utilizan en aplicaciones de alto voltaje y corriente [por ejemplo, transmisión de cd de alto voltaje (HVDC) y compensación de potencia reactiva estática o de volt-amperes reactivos (VAR)]. Un LASCR ofrece total aislamiento eléctrico entre la fuente de disparo luminoso y el dispositivo de conmutación de un convertidor de potencia, que flota a un potencial tan alto como unos cuantos cientos de kilovoltios. La especificación de voltaje de un LASCR puede llegar tan alto como 4 kv a 1500 A, con una potencia de disparo luminoso de menos de 100mw. El di/dt típico es 250 A/m s y el dv/dt puede ser tan alto como 2000v/m s.

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TIRISTORES CONTROLADOS POR FET (FET-CTH)

Un dispositivo FET-CTH combina un MOSFET y un tiristor en paralelo, tal y como se muestra en la figura siguiente. Si a la compuerta del MOSFET se le aplica un voltaje suficiente, típicamente 3v, se genera internamente una corriente de disparo para el tiristor. Tiene una alta velocidad de conmutación, un di/dt alto y un dv/dt alto.

Este dispositivo se puede activar como los tiristores convencionales, pero no se puede desactivar mediante control de compuerta. Esto serviría en aplicaciones en las que un disparo óptico debe utilizarse con el fin de proporcionar un aislamiento eléctrico entre la señal de entrada o de control y el dispositivo de conmutación del convertidor de potencia.

TIRISTORES CONTROLADOS POR MOS (MCT)

Un tiristor controlado por MOS (MCT) combina las características de un tiristor regenerativo de cuatro capas y una estructura de compuerta MOS. El circuito equivalente se muestra en la figura siguiente (b) y el símbolo correspondiente en la (a). La estructura NPNP se puede representar por un transistor NPN Q1 y con un transistor Q2. La estructura

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Figura 18 – Estructura FET-CTH


de compuerta MOS se puede representar por un MOSFET de canal p M1 y un MOSFET de canal n M2.

Debido a que se trata de una estructura NPNP, en vez de la estructura PNPN de un SCR normal, el ánodo sirve como la terminal de referencia con respecto a la cual se aplican todas las señales de compuerta. Supongamos que el MCT está en estado de bloqueo directo y se aplica un voltaje negativo VGA. Un canal, p (o una capa de inversión) se forma en el material dopado n, haciendo que los huecos fluyan lateralmente del emisor p E2 de Q2 (fuente S1 del MOSFET M1 del canal p) a través del canal p hacia la base p B1 de Ql (que es drenaje D1 del MOSFET M1, del canal p). Este flujo de huecos forma la corriente de base correspondiente al transistor npn Q1. A continuación e1 emisor n+ E1 de Q1, inyecta electrones, que son recogidos en la base n B2 (y en el colector n C1) que hace que el emisor p E2 inyecte huecos en la base n B2, de tal forma que se active el transistor PNP Q2 y engancha al MCT. En breve, un VGA de compuerta negativa activa al MOSFET M1 canal p, proporcionando así la corriente de base del transistor Q2.

Supongamos que el MCT está en estado de conducción, y se aplica un voltaje positivo VGA. Se forma entonces un canal n en el material contaminado p, haciendo que fluyan lateralmente electrones de la base n B2 de Q2 (fuente S2 del MOSFET M2 del canal n) a través del canal n del emisor n+ fuertemente contaminado de Ql (drenaje D2 del MOSFET M2 del canal n+). Este flujo de electrones desvía la corriente de base del transistor PNP Q2 de tal forma que su unión base-emisor se desactiva, y ya no habrá huecos disponibles para recolección por la base p B1 de Q1 (y el colector p C2de Q2). La eliminación de esta corriente de huecos en la base p B1, hace que se desactive el transistor NPN Q1, y el MCT regresa a su estado de bloqueo. En breve, un pulso positivo de compuerta VGA, desvía la corriente que excita la base de Ql, desactivando por lo tanto el MCT.

El MCT se puede operar como dispositivo controlado por compuerta, si su corriente es menor que la corriente controlable pico. Intentar desactivar el MCT a corrientes mayores que su corriente controlable pico de especificación, puede provocar la destrucción del dispositivo. Para valores más altos de corriente, el MCT debe ser conmutado como un SCR estándar. Los anchos de pulso de la compuerta no son críticos para dispositivos de corrientes pequeñas. Para corrientes mayores, el ancho del pulso de desactivación debe ser mayor. Además, durante la desactivación, la compuerta utiliza una corriente pico. En muchas aplicaciones, incluyendo inversores y pulsadores, se requiere, de un pulso continuo de compuerta sobre la totalidad del período de encendido/apagado a fin de evitar ambigüedad en el estado.

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Un MCT tiene:

Una baja caída de voltaje directo durante la conducción; Un tiempo de activado rápido, típicamente 0.4m s, y un tiempo de desactivado

rápido, típicamente 1.25m s, para un MCT de 300A, 500v; Bajas perdidas de conmutación; Una baja capacidad de bloqueo voltaje inverso. Una alta impedancia de entrada de compuerta, lo que simplifica mucho los

circuitos de excitación. Es posible ponerlo efectivamente en paralelo, para interrumpir corrientes altas, con sólo modestas reducciones en la especificación de corriente del dispositivo. No se puede excitar fácilmente a partir de un transformador de pulso, si se requiere de una polarización continua a fin de evitar ambigüedad de estado.

Algunas aplicaciones típicas

REGULACIÓN DE LUZ

Una de las aplicaciones más típicas de uso domestico es el regulador de luz. La figura 183 muestra un esquema de este circuito basado en el TRIAC MAC218A de Motorola y cuyo control de disparo se realiza a través de un SBS. La resistencia R1+R2 carga el condensador C1 a través de la propia tensión de alimentación en alterna y cuando se alcanza la tensión de ruptura del SBS, este dispara el TRIAC haciendo circular la corriente por la carga

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Figura 19 – Estructura MCT


(lámpara). El uso de TRIAC y SBS permite el control de potencia en semiperiodos positivos y negativos.

El ángulo de conducción se controla a través de la resistencia variable R1; contra mas pequeño sea su valor el ángulo de conducción será mayor, y viceversa. Las ecuaciones de funcionamiento del circuito son difíciles de extraer pero en la Figura 20 se indican los valores típicos de los diferentes componentes. Los diodos, la resistencia de R4 y el condensador C2 actúan como elementos de protección.

Figura 20 – Regulador de Luz

Un segundo ejemplo de circuito de regulador de luz se indica en la Figura 21. En este caso, el UJT 2N4870 es el encargado de disparar al TRIAC. El circuito de polarización del UJT está constituido por un circuito rectificador de diodos, una resistencia y el diodo zener 1N4871 de 22V; con ello se consigue obtener la señal VS indicada en la parte inferior de la figura. Esta señal seria prácticamente una onda cuadrada si no existiese el TRIAC. El disparo del TRIAC hace que la caída de tensión en sus terminales sea muy baja (~1 a 2V) anulando el

circuito de polarización (VS~ 0V). El UJT actúa como oscilador de relajación cuya frecuencia está determinada por R1 y C1. La activación del UJT dispara a su vez el TRIAC a través de un pequeño transformador. El ángulo de conducción del TRIAC oscila entre φ=0° a 170° en cada semiperiodo.

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CONTROL DE VELOCIDAD DE MOTORES

El control de velocidad de los motores se ha realizado en base a SCR en mayor medida que en TRIAC. A primera vista, el TRIAC presenta mayores ventajas debido a su simetría, lo que le confiere ciertas ventajas frente al SCR que únicamente conduce en un semiperiodo. Sin embargo, el TRIAC tiene unas características dv/dt inadecuadas para el control de motores y es difícil la realización de circuitos de control simétricos. Por otra parte, el SCR puede conducir en todo el periodo si se rectifica la señal de red. Las figuras 185a y 185b muestran dos ejemplos sencillos de control realizados a través de SCR de un motor universal (Figura 23a) y un motor de imán-permanente (Figura 23b).

Figura 23 – Control de velocidad de motores - a)Motor universal – b)Motor de imán permanente

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Figura 22 – Regulador de Luz con UJT


CONTROL DE CALOR CON SENSOR DE TEMPERATURA

El circuito de control de calor mostrado en la Figura 24 ha sido concebido para controlar la temperatura de una habitación, bien utilizando una fuente de calor (por ejemplo, una resistencia eléctrica o un horno) o bien utilizando un ventilador (o cualquier dispositivo refrigerador). El circuito de disparo se realiza a través de un UJT que introduce un ángulo de conducción de los TRIAC que va a depender de la temperatura de la habitación medida a través de una resistencia térmica (termistor) RT cuyo valor es de 2 kΩ a 25 °C; el rectificador de puente de diodos y el diodo zener 1N5250A alimentan a este circuito de disparo. R2 se ajusta para que el transistor bipolar 2N3905 este en corte a una temperatura dada. Cuando el 2N3905 está en corte ninguna corriente carga el condensador C y, por consiguiente, el UJT y los TRIAC están cortados. Si el 2N3905 esta a ON, este carga el condensador C y dispara el UJT cuando alcanza la tensión VP. El tiempo que tarda en alcanzar la tensión VP del UJT depende de RT. Un incremento en la temperatura disminuye el valor de RT, y por consiguiente, disminuye el valor de corriente de colector del transistor aumentando a su vez el tiempo de carga del condensador (disminuye el ángulo de conducción). Por el contrario, al disminuir temperatura aumenta el ángulo de conducción. El modo de operar con la temperatura se invierte si se intercambia RT con R2.

Figura 24 – Circuito de control de calor

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Hojas de Datos

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Bibliografia

Apuntes

Academia de Instrumentacion - CECyTEM - Unidad I: Tiristores

Rashid - Capitulo 7 - Teoria del Tiristor

Universidad del Salvador – Dispositivos Electronicos – Tiristores y Triacs

Sitios Web

http://www.dte.uvigo.es/recursos/potencia/dc-ac/tiristor.htm#lascr

http://www.datasheetcatalog.net

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http://www.datasheetcatalog.net/

http://www.dte.uvigo.es/recursos/potencia/dc-ac/tiristor.htm#lascr

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